基于Arduino控制器的教学实验箱及其实验方法

摘要

本发明涉及一种基于Arduino控制器的教学实验箱及其实验方法，该教学试验箱包括实验箱体，其特征在于：所述实验箱体内设置有Arduino控制模块、Arduino可扩展模块实验平台、电机控制实验平台以及供电单元；所述Arduino控制模块为Arduino控制器；所述的Arduino可扩展模块实验平台包括：与所述Arduino控制器连接的HC-SR04超声波测距模块、DHT11温湿度采集模块、红外接近开关模块、红外遥控模块、Bluetooth-V3模块；本发明面向学生使用的可靠、操作性强、集成化和模块化更合理的基于Arduino控制器的多功能教学实验箱。

说明书

技术领域

本发明涉及机电一体化实验系统设计技术领域，具体地，涉及一种基于Arduino控制器的多功能教学实验箱及其实验方法。 

背景技术

    Arduino是一个基于开放原始码的软硬件平台，构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java，C语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系统上运行。Arduino语言基于wiring语言开发，是对 AVRGCC库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，你也可以快速的进行开发。由于Arduino具有相对简单的开发方式，使得开发者更关注创意与实现，更快的完成自己的项目开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。因为Arduino的种种优势，越来越多的专业硬件开发者已经或开始使用Arduino来开发他们的项目、产品，与此同时更多的软件开发者使用Arduino进入硬件、物联网等开发领域；在大学各高校也纷纷开展了Arduino相关课程和实验。

目前，基于Arduino控制器的教学实验设备存在集成化、模块化程度不高，实验模块零散，且实际实验操作起来较为繁琐，实验操作前的准备工作和实验完毕后的整理工作占用了较多实验时间，从而影响了整个教学课程的常规实行，不利于高效、互动式教学，由于以上这些不足，从而使得学生在操作实验前不仅要充分预习Arduino控制器编程资料，还得自主设计模块化实验电路，对相关所有硬件知识有较为深入的了解，连线过程也非常容易产生误搭、误接，加大学生实验难度和课程时间，不利于学生迅速的掌握Arduino的基本知识，达不到以实验指引学生进入Arduino初步开发简单项目的目的。

在多数高校所制定的Arduino实验内容往往都是采取和单片机模式类似的实验项目，例如流水灯、led数码管、继电器、蜂鸣器等，由于51单片机和Arduino在控制器编程、硬件内容都存在很多差异，从而使得这些用于像51类单片机的小型实验项目并不是很适合于Arduino实验课程，51类单片机的编程相对于Arduino更为的复杂，且硬件接口更少，所以必须设计出要有更强针对性、更广泛应用性的基于Arduino控制器的实验课程，来指引学生更为简捷、高效的在实验课堂上学会Arduino的基本知识和初步开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Arduino控制器的教学实验箱，以实验教学方式带动学生深入自学和拓展实践的目的，激发学生对电子产品的制作兴趣，使得学生在实验中逐步提高Arduino编程开发能力和硬件认知水平。

本发明采用以下方案实现：一种基于Arduino控制器的教学实验箱，包括实验箱体，其特征在于：所述实验箱体内设置有Arduino控制模块、Arduino可扩展模块实验平台、电机控制实验平台以及供电单元；

所述Arduino控制模块为Arduino控制器；

所述的供电单元为220V转24V、12V和5V的开关电源，且为系统供电；

所述的Arduino可扩展模块实验平台包括：与所述Arduino控制器连接的HC-SR04超声波测距模块、DHT11温湿度采集模块、红外接近开关模块、红外遥控模块、Bluetooth-V3模块、DS12C887时钟模块、LCD12864模块、LCD1602模块以及矩阵键盘模块；

所述电机控制实验平台包括：微型减速直流电机实验模块和两相双极性步进电机实验模块；所述的微型减速直流电机实验模块包括设置有同轴式减速器和光电编码器的微型直流电机、以及L298N电机驱动模块；所述Arduino控制器经L298N电机驱动模块控制所述的微型直流电机；

所述两相双极性步进电机实验模块包括设置有霍尔增量型旋转编码器的两相双极性步进电机以及TB6560 3A步进电机驱动器，所述Arduino控制器经TB6560 3A步进电机驱动器驱动所述两相双极性步进电机。

在本发明一实施例中，所述的实验箱体为对开式实验箱。

在本发明一实施例中，所述的矩阵键盘模块为4X4矩阵键盘模块。

在本发明一实施例中，所述的Arduino控制器为Arduino mega 2560 控制板。

本发明另一目的是提供一种上述实验箱的实验方法，其特征在于：包括实验设计方式和实验实施样例；

所述的实验设计方式包括如下：

a、通过单一模块实验以及各扩展模块系统化结合实验，达到实验内容由易到难、由单一到多元的逐步式实验设计；

b、通过采用Arduino控制器进行不同种电机运动控制综合实验，实现实验操作与课程教学相联系，实验理论与实际应用相结合；

c、通过采用针对于Arduino控制器的，且与51单片机实验内容与方法不同的Arduino专业化实验内容，达到降低学生实验前的预习要求；

d、通过Arduino的开发实验项目，以及设计各种不同编程算法实现同一实验结果，达到将发散式教学和实验理论知识，进行逻辑的、分层次的归纳和总结；

所述的实验实施样例内容主要包括：

单一模块实验：LCD12864液晶显示实验；

各扩展模块系统化结合实验：HC-SR04超声波测距实验、微型减速直流电机运动控制实验；

不同电机运动控制综合实验：微型减速直流电机PWM调速实验、两相双极性步进电机运动控制实验；以及

Arduino开发项目实验：数字电子万年历制作项目开发实验。

在本发明一实施例中，所述LCD12864液晶显示实验的方法是：将LCD12864连接到Arduino控制器相应的接口上，开通电源，进行编程调试，使得LCD12864显示“Arduino控制箱”。

在本发明一实施例中，所述HC-SR04超声波测距实验的方法是：把HC-SR04超声波测距模块及LCD1602连接到arduino控制器相应的接口上，打开电源，进行编程调试，在超声波模块前放有障碍物，并同时移动障碍物，利用超声波测距模块实时检测物体的位置，并显示在LCD1602上；物体的位置d可由从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以超声波在空气中的传播速度c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2得到；即根据具体计算公式：

可算出物体位置d。

    在本发明一实施例中，所述微型减速直流电机运动控制实验的方法是：把红外接近开关连接到arduino控制器相应的接口上，完成arduino控制器、L298N电机驱动模块、带编码器及减速器的微型直流电动机三者之间的连线，打开电源，进行编程调试，利用红外接近开关检测前方是否有障碍物来控制电机的运转及停止，当检测到障碍物时，电机立即停止，移去障碍物电机又立即恢复运转。

    在本发明一实施例中，所述微型减速直流电机PWM调速实验的方法是：把LCD1602及4X4矩阵键盘连接到arduino控制器相应的接口上，完成arduino控制器、L298N电机驱动模块、带编码器及减速器的微型直流电动机三者之间的连线，打开电源，进行编程调试，采用键盘来改变电机电枢电压导通占空比d，把对应不同占空比时的电机转速n及转向显示在LCD1602上，同时记录电机电枢电压u，最后绘制电枢电压导通占空比d、电机电枢电压u和电机转速n之间关系的曲线；实验结果：电机电枢电压u随导通占空比d的增大而增大，当系统允许时，可将两者之间看做为正比关系：

其中：U为L298N电机驱动模块的驱动电压。电机空载时，电机转速n与电机电枢电压u成正比关系：

其中：为与电机有关的常数，为一对磁极的磁通。

在本发明一实施例中，所述两相双极性步进电动机运动控制实验方法是：把LCD12864及红外接收管连接到arduino控制器相应的接口上，完成arduino控制器、带编码器的两相双极性步进电动机、TB6560 3A步进电机驱动器三者之间的连线，打开电源，进行编程调试，通过红外遥控器把步进电动机的转速、转向及转角信息发送给arduino控制器，进而控制步进电动机按设定的转速、转向及转角运动，同时把转速、转向及转角信息显示在LCD12864上。

在本发明一实施例中，所述数字电子万年历制作项目开发实验的方法是：把DS12C887时钟模块、DHT11温湿度采集模块、LCD12864模块、Bluetooth V3模块连接到arduino控制器相应的接口上，打开电源，进行编程调试，arduino控制器读取DS12C887时钟模块的时间信息（年、月、日、星期、时、分、秒），DHT11温湿度采集模块采集温湿度信息并传给arduino控制器，arduino控制器把时间信息及温湿度信息显示在LCD12864上，可通过与Bluetooth V3模块适配的蓝牙手机任意调整时间。

本发明是应用于教学上，面向学生使用的可靠、操作性强、集成化和模块化更合理的基于Arduino控制器的多功能教学实验箱，并且可以根据不同的实验学习需求，设计出多元化的实验项目，形成一套专属该实验设备的实验方法，帮助学生迅速、高效的进入Arduino项目开发的门槛。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1 基于Arduino控制器的多功能教学实验箱的电路原理图。

图2 基于Arduino控制器的多功能教学实验箱的整体结构示意图。

图3 LCD12864显示结果图。

图4 超声波测距原理图。

图5 超声波测距显示图。

图6 直流电动机PWM调速转速、转向、占空比显示图。

图7 直流电动机PWM调速占空比与电枢电压关系表格图。

图8 直流电动机PWM调速占空比与电枢电压关系曲线图。

图9 直流电动机PWM调速电枢电压与电机转速关系表格图。

图10直流电动机PWM调速电枢电压与电机转速关系曲线图。

图11 步进电动机运动控制信息图。

图12 数字电子万年历。

图2中：1-LCD12864， 2-LCD1602， 3-微型直流电机，4-同轴减速器， 5-霍尔增量型旋转编码器， 6-HC-SR04超声波，  7-Bluetooth V3模块，8-DS12C887时钟模块，9-步进电机固定装置，10-4X4矩阵键盘，11-DHT11温湿度采集模块，12-电机保护罩，13-两相双极性步进电机，14-E18-D80NK红外接近开关， 15- TB6560 3A步进电机驱动器，16-HS0038红外接收管，17-红外遥控器，18-微型直流电机固定装置，19-光电编码器，20-L298N电机驱动模块，21-线槽，22-Arduino控制器放置槽，23-箱体，24-接线端子，25-电源开关，26-电源接口。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本发明实施例提供了一种基于Arduino控制器的多功能教学实验箱：主要包括Arduino控制模块及供电单元、Arduino可扩展模块实验平台、电机控制实验平台。Arduino控制模块及供电单元主要包括有：Arduino控制器、集成各扩展实验模块接口的电路板、220V转24V、12V和5V的开关电源及控制开关；Arduino可扩展模块实验平台主要包括有: HC-SR04超声波测距模块、DHT11温湿度采集模块、红外接近开关模块、红外遥控模块、Bluetooth-V3模块、DS12C887时钟模块、LCD12864模块、LCD1602模块、4X4矩阵键盘模块；电机控制实验平台主要包括有：微型减速直流电机实验模块，包括微型直流电机、同轴式减速器、光电编码器和L298N电机驱动模块。两相双极性步进电机实验模块，包括两相双极性步进电机、霍尔增量型旋转编码器、TB6560 3A步进电机驱动器。

Arduino控制模块及供电单元，该控制模块以Arduino mega 2560控制器为核心，通过其在Arduino产品上的具有代表性意义，引导学生进入Arduino开发学习。通过多层变压、稳压、整流和滤波电路，实现把家用电转化为实验箱所需要的24V、12V、5V等多形式电源，满足多种实验条件要求。

Arduino可扩展模块实验平台，该平台主要分为两个部分：扩展模块部分和模块接口部分，扩展模块部分主要包括各种针对Arduino控制器的各种外围模块，旨在让学生认识Arduino可扩展模块的原理及功能，模块接口部分包括各扩展模块与控制器的集成化接口端子，通过它可以使得接线可视化增强，实验操作空间更为宽裕。

电机控制实验平台，包括微型直流电机控制实验系统和两相双极性步进电机控制实验系统，均采用专用电机固定装置9、18进行定位和固定，各电机、编码器、驱动器采用成套式典型设备，同时该平台可以和其他扩展模块相结合，具有较大的实验设计和开发空间。各电机外部采用透明化强化塑料12进行保护，降低实验危险性，保护学生安全。

由图2所示，根据本发明的实验物品设置结构，该Arduino控制器的多功能教学实验箱整体结构分为三部分，左箱部分、中间储存部分、右箱部分。其中实验箱左箱部分为集成各模块接口的电路板，板上排列有分类好各个模块的接线端子，从而扩大原Arduino控制器原本狭小的接口尺寸，使得学生从功能原理和应用层次上更为模块化、系统化的学习Arduino控制器，方便学生实验线路搭接，且所有模块接口都已与Arduino控制器连接，连接线都依次朝下收拢于底部Arduino控制器槽22上端，且端口分布形状对应于Arduino mega 2560下层控制器插板，使得Arduino mega 2560下层控制器插板可以灵活拆换，方便实验操作不当芯片烧坏时的及时更换。左箱中间侧分布有整个实验装置的供电模块，电源接口26置于箱体侧壁，且在其侧边设置电源开关25。

由图2所示，基于Arduino控制器的多功能教学实验箱右箱部分为Arduino各扩展模块，包括由1、2组成的LCD液晶显示模块，由3、4、18、19、20组成的微型减速直流电机控制实验模块，5、9、13、15组成的两相双极性步进电机控制实验模块，6、HC-SR04超声波测距模块，7、Bluetooth V3传输模块，8、DS12C887电子时钟实验模块，10、4X4矩阵键盘实验模块，14、E18-D80NK红外接近实验模块，由16、17组成的红外遥控实验模块，11、DHT11温湿度采集模块等，通过以上多种扩展模块能设计出各种多样化、跨学科的Arduino趣味实验。

本发明实施例，通过以下四类实验来充分体现该种基于Arduino控制器的多功能教学实验箱的实验方法：单一模块简易实验、各扩展模块系统化结合实验、不同电机运动控制综合实验、Arduino初步开发项目实验。具体设计的典型实验为：实验一-LCD12864显示实验，实验二-1-HC-SR04超声波测距实验、实验二-2-微型减速直流电机运动控制实验，实验三-1-微型减速直流电机PWM调速实验、实验三-2-两相双极性步进电机运动控制实验，实验四-数字电子万年历制作项目开发实验。

实验一：单一模块简易实验- LCD12864显示实验

实验设备：Arduino控制器、LCD12864.

实验目的：1、熟悉基于Arduino的多功能教学实验箱的整体结构及原理图；

          2、熟悉arduino控制器的结构及原理、编程方法和编译环境；

          3、掌握LCD12864的工作原理以及显示编程。

实验方法：将LCD12864连接到Arduino控制器相应的接口上，开通电源，进行编程调试，使得LCD12864显示“Arduino控制箱”。 

实验结果：在LCD12864中间位置一直显示“Arduino控制箱”，如图3所示。

实验二：Arduino控制器各扩展模块系统化结合实验

实验二-1：HC-SR04超声波测距实验

实验设备：arduino控制器、HC-SR04超声波测距模块、LCD1602

实验目的：1、了解HC-SR04超声波测距模块原理及应用；

          2、熟悉LCD1602的原理及应用；

          3、掌握超声波测距及LCD1602显示编程。

实验方法：把HC-SR04超声波测距模块及LCD1602连接到arduino控制器相应的接口上，打开电源，进行编程调试，在超声波模块前放有障碍物，并同时移动障碍物，利用超声波测距模块实时检测物体的位置，并显示在LCD1602上。物体的位置d可由从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以超声波在空气中的传播速度c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2得到，其原理图如图4所示。

 

实验结果：根据具体计算公式：

可算出物体位置d,其值如图5所示。

实验二-2：微型减速直流电机运动控制实验

实验设备：arduino控制器、带编码器及减速器的微型直流电动机、L298N电机驱动模块、红外接近开关。

实验目的：1、熟悉直流电动机的内部结构及工作原理；

2、了解L298N电机驱动模块及红外接近开关的工作原理及应用；

3、掌握直流电动机运动控制及红外接近开关控制编程。

实验方法：把红外接近开关连接到arduino控制器相应的接口上，完成arduino控制器、L298N电机驱动模块、带编码器及减速器的微型直流电动机三者之间的连线，打开电源，进行编程调试，利用红外接近开关检测前方是否有障碍物来控制电机的运转及停止，当检测到障碍物时，电机立即停止，移去障碍物电机又立即恢复运转。

实验结果：当红外接近开关前设有障碍物时，电机自动停止，当撤销掉障碍物时，电机正常运行。

实验三：不同电机运动控制综合实验

实验三-1：微型直流电动机PWM调速实验

实验设备：arduino控制器、带编码器及减速器的微型直流电动机、L298N电机驱动模块、4X4矩阵键盘、LCD1602。

实验目的：1、熟悉直流电动机转速转向控制原理；

2、了解4X4矩阵键盘、LCD1602工作原理及编程；

3、掌握光电编码器工作原理及测速编程；

4、掌握直流电动机PWM调速原理及编程。

实验方法：把LCD1602及4X4矩阵键盘连接到arduino控制器相应的接口上，完成arduino控制器、L298N电机驱动模块、带编码器及减速器的微型直流电动机三者之间的连线，打开电源，进行编程调试，采用键盘来改变电机电枢电压导通占空比d，把对应不同占空比时的电机转速n及转向显示在LCD1602上，如图6所示，同时记录电机电枢电压u，最后绘制电枢电压导通占空比d、电机电枢电压u和电机转速n之间关系的曲线。

实验结果：电机电枢电压u随导通占空比d的增大而增大，如图7、8所示，当系统允许时，可将两者之间看做为正比关系：

其中：U为L298N电机驱动模块的驱动电压。电机空载时，电机转速n与电机电枢电压u成正比关系：

其中：为与电机有关的常数，为一对磁极的磁通,两者关系曲线如图9、10所示。

       

实验三-2：步进电动机运动控制实验

实验设备：arduino控制器、带编码器的两相双极性步进电动机、TB6560 3A步进电机驱动器、红外遥控器、LCD12864。

实验目的：1、熟悉两相双极性步进电动机内部结构及工作原理；

2、了解TB6560 3A步进电机驱动器、红外遥控器及LCD12864的工作原理及应用；

3、了解霍尔增量型旋转编码器工作原理及测速编程；

4、掌握两相双极性步进电动机转速、转向及转角控制原理及编程。

实验方法：把LCD12864及红外接收管连接到arduino控制器相应的接口上，完成arduino控制器、带编码器的两相双极性步进电动机、TB6560 3A步进电机驱动器三者之间的连线，打开电源，进行编程调试，通过红外遥控器把步进电动机的转速、转向及转角信息发送给arduino控制器，进而控制步进电动机按设定的转速、转向及转角运动，同时把转速、转向及转角信息显示在LCD12864上。

实验结果：步进电动机按红外遥控器发送的控制信息进行运转，且显示在LCD12864上，如图11所示。

实验四：Arduino初步开发项目实验-数字电子万年历的开发。

实验设备：arduino控制器、DS12C887时钟模块、DHT11温湿度采集模块、LCD12864、Bluetooth V3模块。

实验目的：1、熟悉DS12C887时钟模块、DHT11温湿度采集模块、Bluetooth V3模块工作原理

及应用；

2、了解DS12C887时钟模块的使用及读取时间编程；

3、了解DHT11温湿度采集模块使用及温湿度采集编程；

4、了解Bluetooth V3无线通信模块的使用及编程。

实验方法：把DS12C887时钟模块、DHT11温湿度采集模块、LCD12864模块、Bluetooth V3模块连接到arduino控制器相应的接口上，打开电源，进行编程调试，arduino控制器读取DS12C887时钟模块的时间信息（年、月、日、星期、时、分、秒），DHT11温湿度采集模块采集温湿度信息并传给arduino控制器，arduino控制器把时间信息及温湿度信息显示在LCD12864上，可通过与Bluetooth V3模块适配的蓝牙手机任意调整时间。

实验结果：LCD12864上显示年（公、农）、月、日、星期、时、分、秒等时间信息和温湿度信息，且时间及温湿度信息显示准确，如图12所示。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。